„Flexoelektrizität“ in weichen Elastomeren könnte die Bewegung von Robotern verbessern

Einige Materialien in der Natur können ihre Größe und Form erheblich verändern – oder sich verformen – wie ein Gummiband, wenn ein elektrisches Signal gesendet wird. Die Materialien fungieren als Energiewandler, der sich beim Durchleiten eines elektrischen Signals verformt oder bei Manipulation Strom liefert. Dies wird als Piezoelektrizität bezeichnet und ist neben mehreren anderen Endanwendungen bei der Herstellung von Sensoren und Laserelektronik nützlich. Diese natürlich vorkommenden Materialien sind selten und bestehen aus steifen kristallinen Strukturen, die oft giftig sind – drei deutliche Nachteile für Anwendungen am Menschen.

Synthetische Polymere bieten Schritte zur Linderung dieser Schwachstellen, indem sie Materialknappheit beseitigen und weiche Polymere schaffen, die sich biegen und dehnen können – bekannt als weiche Elastomere –, aber zuvor fehlten diesen weichen Elastomeren signifikante piezoelektrische Eigenschaften.

Forscher haben eine „riesige Flexoelektrizität“ in weichen Elastomeren demonstriert, die die Bewegungsreichweite von Robotern verbessern und Schrittmacher mit eigener Stromversorgung zu einer realen Möglichkeit machen könnte. Diese Theorie konstruiert eine Verbindung zwischen Elektrizität und mechanischer Bewegung in weichen, gummiartigen Materialien. Während einige Polymere schwach piezoelektrisch sind, gibt es keine weichen, gummiartigen Materialien, die piezoelektrisch sind. Der Begriff für diese multifunktionellen weichen Elastomere mit erhöhter Leistungsfähigkeit lautet „giant flexoelectricity“; mit anderen Worten, Steigerung der flexoelektrischen Leistung in weichen Materialien.

In den meisten weichen Gummimaterialien ist die Flexoelektrizität ziemlich schwach, aber durch Neuanordnung der Ketten in Einheitszellen auf molekularer Ebene zeigt die Theorie, dass weiche Elastomere eine Flexoelektrizität von fast dem 104-fachen des herkömmlichen Betrags erreichen können. Menschenähnliche Roboter, die aus weichen Elastomeren mit verbesserten flexoelektrischen Eigenschaften hergestellt werden, wären in der Lage, einen größeren Bewegungsbereich zu haben, um körperliche Aufgaben auszuführen. Schrittmacher, die in menschliche Herzen implantiert werden und Lithiumbatterien verwenden, könnten stattdessen selbst mit Strom versorgt werden, da natürliche Bewegungen elektrische Energie erzeugen.

Die Mechanik von weichen Elastomeren, die elektrische Signale erzeugen und durch diese manipuliert werden, repliziert eine ähnliche Funktion, die in menschlichen Ohren beobachtet wird. Töne treffen auf das Trommelfell, das dann vibriert und elektrische Signale an das Gehirn sendet, wo sie interpretiert werden. In diesem Fall kann Bewegung weiche Elastomere manipulieren und Strom erzeugen, um ein Gerät selbst mit Strom zu versorgen. Dieser Prozess der Selbsterzeugung von Energie durch Bewegung ist eine Verbesserung gegenüber einer typischen Batterie.

Bemühungen zur Verbesserung des flexoelektrischen Effekts in weichen Elastomeren werden im Mittelpunkt weiterer Untersuchungen stehen.